[发明专利]本征醌式近红外受体小分子及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种本征醌式近红外受体小分子，其具有以下结构：其中，n为选自1‑3的正整数；Q为醌式单元，D为电子给体，A为电子受体。本发明提供的本征醌式近红外受体小分子的结构，可以有效地提高共轭骨架的醌式含量，促进电子云在共轭骨架上的离域，从而扩展光响应范围至近红外波段；应用于有机光电探测器领域中，在1100nm处具有高响应度和高探测率、较大的截止带宽和宽泛的线性动态范围。本发明提供的制备方法，具有工艺简单、产率高、结构调整灵活、制造成本低以及适合工业化生产等优点。

技术领域

本发明涉及有机光电领域，特别涉及一种本征醌式近红外受体小分子及其制备方法与应用。

背景技术

有机光电探测器(OPDs)是一种具有光电转换功能的有机光电器件，其可以将入射光转换为电信号输出。与传统无机半导体光电探测器相比，OPDs具有低成本、低功耗以及可以实现溶液加工和制备柔性器件等优势。同时得益于分子结构多样的活性层材料，其探测范围可以从紫外光波段覆盖到红外光波段。其中，波长范围在780-2500nm波段的光称为近红外光，作为电磁波谱的重要组成部分，近红外光在军事上可以广泛应用于航海、航空航天、武器探测以及夜视等方面；在民用上可以广泛应用于通信、大气监测、污染检测以及气象等方面。而目前广泛商用的硅光电探测器的截至探测范围仅为1100nm，因此，为了实现对超过1100nm近红外光的有效探测并成为硅光电探测器有潜力的替代对象，OPDs中的活性层材料的吸收光谱需超过1100nm。

本体异质结型OPDs的活性层通常是由富电子的p-型材料和缺电子的n-型材料共混组成。由于n-型富勒烯受体及其衍生物在三维方向上具有优异的电子传输特性，因此被研究者广泛作为n-型材料与各种近红外p-型材料搭配应用于近红外有机光电探测器中。但富勒烯及其衍生物具有结构难以调整，能级不易调控的缺点，难以与种类繁多的近红外给体材料实现良好的能级匹配，进而导致较差的激子解离和电荷收集效率。最终，基于近红外p-型给体材料与n-型富勒烯受体的OPDs器件，其外量子效率(EQE)、响应度(R)和探测率(D*)往往较差(Adv.Funct.Mater.2014,24,7605–7612；Adv.Mater.2020,2003818；Adv.Optical Mater.2018,1800038；J.Mater.Chem.C 2018,6,11645–11650)。例如，ZhiyuanWang等人于2018年报道了一种具有超窄光学带隙的近红外p-型给体材料P2(Adv.Optical Mater.2018,1800038)。以P2和富勒烯受体PC₇₁BM为活性层材料的有机光电探测器的探测范围超过了1400nm，但对器件施加–2V偏压促进激子解离后，在波长为1100nm处的EQE响应值也仅为5％，对应的响应度仅为0.04A/W。

因此，亟需找到一种技术方案，来解决上述本领域的技术难题。

发明内容

近年来，以ITIC和Y6为代表的n-型非富勒烯受体小分子发展迅速，通过合理的分子结构设计可以实现近红外吸收和连续可调节的能级。对有机半导体而言，通过结构设计引入本征醌式单元是实现近红外吸收的有效策略。在芳香稳定化能的驱动作用下，本征醌式结构可以显著提高共轭骨架中的醌式含量，从而减小光学带隙。同时，模块化非富勒烯受体小分子的各个组成单元之间均通过单键相连，具有低合成复杂度和低成本的优势，但目前尚无吸收光谱超过1200nm的模块化非富勒烯受体小分子被报道。

因此，本发明中利用本征醌式结构减小带隙和模块化结构合成复杂度低的优势，以本征醌式Q单元作为核心单元，首次发明了本征醌式近红外受体小分子，其中之一为具有A-D-Q-D-A结构的近红外模块化非富勒烯受体小分子BDP4Cl，其吸收光谱超过1400nm，基于其的光电探测器在不施加任何偏压的条件下在1100nm处EQE值高达16.40％，对应的响应度和探测率分别为0.15A/W和7.74×10¹¹Jones。并且基于BDP4Cl的探测器对1050nm的入射光具有大的截止带宽(65kHz)和宽泛的线性动态范围(70dB)，实现了高性能的近红外有机光电探测器。